JPH0684756A

JPH0684756A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH0684756A
Application number: JP4237161A
Authority: JP
Inventors: Yuji Imai; 裕二今井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-09-04
Filing date: 1992-09-04
Publication date: 1994-03-25

Abstract

(57)【要約】【目的】レチクルパターンの材質等に依らず、常に精
度良く投影光学系の結像特性を計測可能とする。【構成】ウエハステージ７上に設けられたパターン板
８の下面より、露光光ＩＬと同一波長の照明光ＭＬを基
準パターン（２８Ａ〜２８Ｄ）に照射する。光電検出器
１４は、基準パターン（２８Ａ〜２８Ｄ）を透過して投
影光学系６を介してレチクルＲのパターン面に照射さ
れ、ここで反射されて投影光学系６、及び基準パターン
（２８Ａ〜２８Ｄ）を介して戻された光束を受光する。
信号処理ユニット１６は、パターン板８と投影光学系６
の結像面とを光軸方向に相対移動させたとき、光電検出
器１４から出力される検出信号Ｓ１に基づいて投影光学
系６の焦点位置を検出する。光量制御ユニット１０ｅ
は、検出信号Ｓ１に応じてパターン板８に照射する照明
光ＭＬの強度を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子や液晶表示
素子製造のリソグラフィ工程で使用される投影露光装置
に関し、特に投影光学系の結像特性の検出機構の改良に
関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、マスクまたはレチクルのパターン
を高分解能で感光基板（半導体ウエハ等）に転写する装
置として、ステップアンドリピート方式の縮小投影型露
光装置（ステッパー）が多用されるようになっている。
この種のステッパーにおける投影光学系の結像特性の検
出機構については、例えば特開昭６０−２６３４３号公
報、特開昭６３−３０６６２６号公報、あるいは特開平
１−２７３３１８号公報等に開示されている。

【０００３】さて、特開昭６０−２６３４３号公報に開
示された装置は、微小線要素を有するテストレチクル
と、ウエハステージ上に配置された微小スリットを介し
てテストレチクルの透過光を受光する受光素子とを備え
ている。そして、ウエハステージを投影光学系の光軸方
向に移動させたときに得られる受光素子からの検出信号
の変化に基づいて、投影光学系の結像特性、例えば焦点
位置や像面湾曲を求めている。

【０００４】また、特開昭６３−３０６６２６号公報、
あるいは特開平１−２７３３１８号公報に開示された装
置は、ウエハステージ上に配置され、基準パターンが形
成されたパターン板と、特別な複数の基準マークを有す
るテストレチクルとを備え、パターン板をその下面から
露光光と同一波長の照明光で照射し、基準パターン、投
影光学系、及びテストレチクル上の１つの基準マークを
透過した光束を、照明光学系中に配置されたビームスプ
リッターを介して受光素子に導き、この受光素子からの
検出信号を用いて投影光学系の結像特性を計測可能とし
たものである。さらに上記構成の装置では、露光動作中
は露光光吸収による温度上昇等に起因した投影光学系の
結像特性の変動を逐次予測し、その結果に基づいて結像
特性の変動を補正するようにしている。従って、１枚の
ウエハに対する露光動作中であっても、露光光吸収等に
よる投影光学系の結像特性、例えば焦点位置、像面湾
曲、非点収差等の変動をリアルタイムに補正できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
如きスルー・ザ・レンズ（ＴＴＬ）方式の焦点位置検出
においては、特定マークを有するレチクル（テストレチ
クル、またはパターン形成領域の周辺に特定マークが形
成されたデバイスレチクル）を必要とした。このため、
テストレチクルを使用して結像特性を計測する場合に
は、上記焦点検出を行うたびにレチクル交換を行わなけ
ればならず、スループットの低下が免れない。さらに、
デバイスレチクルのパターンの各位置での焦点位置を計
測することはできない、すなわち露光直前での投影光学
系の結像特性を正確に検出できなかった。

【０００６】一方、テストレチクルを用いず、デバイス
レチクルを使用して結像特性を計測する場合には、パタ
ーン形成領域周辺に形成した特定マークを使用すること
で、露光直前の周辺部での像面状態は測定できる。しか
しながら、パターン形成領域内の任意の位置に特定マー
クを配置することは非現実的である。従って、パターン
形成領域内、特に中心部での焦点位置は検出できず、投
影光学系の像面湾曲等を計測することは不可能であると
いう問題があった。

【０００７】本発明はこのような問題点を鑑みてなされ
たもので、テストレチクル等を使用することなく任意、
例えば露光動作直前であっても、高速、高精度に投影光
学系の結像特性を計測可能な投影露光装置を提供するこ
とを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明においては、基板
ステージ（７）の一部に設けられ、所定形状の基準パタ
ーン（２８Ａ〜２８Ｄ）を有するパターン板（８）と、
パターン板（８）の下面より露光用照明光（ＩＬ）とほ
ぼ同一波長の照明光（ＭＬ）を基準パターンに照射する
照明手段（１０）と、基準パターンを透過して投影光学
系（６）を介してマスク（Ｒ）のパターン面に照射さ
れ、さらにパターン面から反射されて投影光学系（６）
及び基準パターンを介して戻された光を受光する光電検
出手段（１４）と、パターン板（８）と投影光学系
（６）の結像面とを投影光学系（６）の光軸方向に相対
移動させたとき、光電検出手段（１４）から出力される
検出信号（Ｓ１）に基づいて、投影光学系（６）の結像
特性を検出する結像特性検出手段（１６）と、光電検出
手段（１４）からの検出信号の強度が所定の値となるよ
うに、光電検出手段（１４）に入射する照明光の光量を
調整する光量調整手段（１０ｂ〜１０ｄ）とを設けるこ
ととした。特に光量調整手段は、照明手段（１０）から
射出される照明光（ＭＬ）の強度を調整する光強度可変
部材（１０ｂ）を有することとした。

【０００９】

【作用】本発明では、基板ステージの一部に設けられた
パターン板をその下面から露光用照明光とほぼ同一波長
の照明光で照明し、パターン板上の基準パターンを透過
した光を投影光学系を介してマスクの下面（パターン
面）に照射する。マスクのパターン面で反射した光は再
度投影光学系を介してパターン板に到達し、さらに基準
パターンを透過した光は光電検出手段に入射する。つま
り、マスクのパターン面とパターン板の表面（基準パタ
ーンの形成面）とが投影光学系に関して共役な関係、す
なわちパターン板の表面が投影光学系の最良結像面（投
影光学系によるマスクパターンの投影像面）内にあると
き、光電検出器に入射する照明光の強度（光量）が最大
（または最小）になるという原理を利用している。

【００１０】そこで、本発明では上記原理に従い、投影
光学系のイメージフィールド内の任意の位置にパターン
板を位置決めした後、パターン板と投影光学系の結像面
とをその光軸方向に相対移動し、このとき光電検出手段
から出力される検出信号の変化に基づいて合焦位置（ベ
ストフォーカス位置）を算出するようにした。さらに本
発明では、光電検出手段からの検出信号の強度が所定の
値となるように、光電検出手段に入射する照明光の光量
を調整する光量調整手段、例えばパターン板に向けて照
明手段から射出される照明光の強度を調整する光強度可
変部材を設けることとした。

【００１１】このため、本発明では計測専用の特別なマ
スクを用いる必要がなく、さらにデバイスパターンを有
する露光用マスクに計測用の特定マークを形成する必要
もない。すなわち露光に使用されるマスクを装置に装着
した状態で、高速、高精度に投影光学系のイメージフィ
ールド内の任意の位置での合焦点（ベストフォーカス位
置）を計測できる。しかも任意のタイミング、例えば露
光動作直前であっても上記計測を行うことが可能とな
る。また、投影光学系のイメージフィールド内の複数の
位置の各々での合焦位置を求めることにより、投影光学
系の結像特性、例えば像面湾曲等も算出することができ
る。

【００１２】さらに、マスクのパターン面での照明光の
反射特性、すなわちマスクパターンの材質（クロム、位
相シフター、反射防止膜の有無等）、膜厚（透過率）、
形状（ピッチ、周期性等）等に応じて、光電検出手段か
ら出力される検出信号のレベル（コントラスト）が変化
し得る。このような場合にも、光量調整手段を用いてマ
スク毎、またはパターン形成領域内の位置毎に、光電検
出手段からの検出信号の強度が所定の値となるように、
光電検出手段に入射する照明光の光量を調整するので、
常にコントラストの良い検出信号が得られ、精度良く安
定した信号検出を行うことが可能となる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明による投影露光装置の一実施例
につき図面を参照して説明する。図１は本実施例による
投影露光装置の全体構成を概略的に示す図である。図１
において、露光用照明光源ＬＳから発生した照明光ＩＬ
は、オプチカルインテグレータ（フライアイレンズ）、
レチクルブラインド、開口絞り（σ絞り）等を有する照
明光学系１に入射する。照明光ＩＬとしては、ｇ線、ｉ
線、またはＫｒＦ、ＡｒＦエキシマレーザ、あるいは金
属蒸気レーザやＹＡＧレーザの高調波等が使用される。
照明光学系１を射出した照明光ＩＬの大部分は半透過鏡
２を透過してミラー３に至り、ここで垂直に下方に反射
されてコンデンサーレンズ４に導かれ、レチクルステー
ジ５に載置されたレチクルＲをほぼ均一な照度で照明す
る。

【００１４】さらに、パターン形成領域ＰＡを透過した
照明光ＩＬは両側テレセントリックな投影光学系６に入
射し、投影光学系６は回路パターンの像を、表面にレジ
スト層が形成されたウエハ９上に結像投影する。ウエハ
９はウエハステージ７に載置されており、ウエハステー
ジ７上には表面に基準パターンが形成されたパターン板
（石英等のガラス基板）８も配置されている。

【００１５】図２に示すように、パターン板８の表面に
は４組の基準パターン２８Ａ〜２８Ｄが形成されてお
り、これらのパターンは共に振幅型回折格子、すなわち
パターン板８にクロム等の遮光層で形成された１次元の
ラインアンドスペースパターン（デューティは１：１）
である。基準パターン２８ＡはＸ方向に一定ピッチで配
列された１次元回折格子であり、残り３組の基準パター
ン２８Ｂ〜２８Ｄは基準パターン２８Ａに対して周期方
向が時計方向に４５°、９０°及び１３５°回転したも
のである。

【００１６】以上のように互いに周期方向が異なる４組
の基準パターン２８Ａ〜２８Ｄをパターン板８に形成す
るのは、レチクルＲ上のパターンの影響を低減するた
め、及び投影光学系６のイメージフィールド内の任意の
位置でのサジタル（Ｓ）方向、及びメリディオナル
（Ｍ）方向の焦点位置（非点収差）を計測可能とするた
めである。ここで、パターン板８はその表面（パターン
形成面）が投影光学系６の光軸方向に関してウエハ９の
表面とほぼ同じ高さになるように設けられている。尚、
パターン板８上の基準パターンは位相型回折格子であっ
ても良い。

【００１７】図１では簡略に表示しているが、ウエハス
テージ７はＸＹθステージ、Ｚステージ、及びレベリン
グステージより構成されている。ＸＹθステージは、投
影光学系６の光軸と垂直な面（ＸＹ平面）内で並進移動
及び微小回転可能である。さらに、Ｚステージは投影光
学系６の光軸方向（Ｚ方向）に微動可能であり、レベリ
ングステージはＸＹ平面に対して任意に傾斜可能となっ
ている。また、ＸＹθステージのＸ、Ｙ方向の位置（移
動量）は、２組のレーザ干渉測長器（不図示）によっ
て、例えば０．０１μｍ程度の分解能で常時検出され
る。Ｚステージの位置は、例えばＺ軸駆動用のボールね
じに取り付けられたロータリエンコーダにより測定され
る。すなわち、ボールねじのピッチは正確に分かってい
るので、所定の機械原点でリセットされた計数回路でロ
ータリエンコーダから出力されるアップダウンパルスを
積算的に計数して、計数値に所定の演算を施すことによ
り、Ｚ方向の位置を求めることができる。尚、Ｚ方向の
移動量をレーザ干渉測長器等で測定することも可能であ
る。

【００１８】さて、図１中の照明光源１０は露光用照明
光ＩＬとほぼ同一波長の照明光ＬＢを発生し、この照明
光ＬＢは光ファイバー（ライトガイド）１１、集光レン
ズ系１２、及びミラー１３を介してパターン板８の下面
まで導かれ、基準パターンをその裏面（ウエハステージ
内部）から照明する。基準パターンを透過した光は、投
影光学系６を介してレチクルＲの下面（パターン面）に
照射（集束）され、ここで反射されて再び投影光学系６
を介してパターン板８に達する。さらに基準パターンを
透過した光は、ミラー１３、集光レンズ系１２、及び光
ファイバー１１を介して光電検出器１４に入射する。

【００１９】光電検出器１４から出力される信号を増幅
器１５で最適レベルまで増幅して得られた検出信号Ｓ１
は、パターン板８の基準パターンを通り抜けた光束の強
度を示す信号であり、この検出信号Ｓ１は信号処理ユニ
ット１６に出力される。ここで、検出信号Ｓ１はパター
ン板８の表面が投影光学系６の最良結像面と一致（合
焦）したときに最大となる。従って、投影光学系６の結
像特性が露光光吸収等によって変化しても、上記動作を
随時（例えば１枚のウェハに対する露光動作中であって
も）行って検出信号Ｓ１を得ることにより、投影光学系
６のイメージフィールド内の任意の位置での合焦点（ベ
ストフォーカス位置）を検出することができる。

【００２０】図１０は、パターン板８を投影光学系６の
光軸方向に移動したときに光電検出器１４から出力され
る検出信号Ｓ１の変化を表している。図１０（ａ）はレ
チクルＲのパターン面内での照明光の照射位置がクロム
面となっている場合であり、図１０（ｂ）は照射位置が
ガラス面となっている場合である。いずれの場合でも、
検出信号Ｓ１が最大となる位置Ｚ₀が合焦位置、すなわ
ちベストフォーカス位置である。但し、パターン板８上
の基準パターンとして位相型回折格子を用いるときに
は、合焦点では検出信号Ｓ１が最小になる。

【００２１】ここで、本実施例ではパターン板８上に４
組の基準パターンを形成している。従って、４組の基準
パターンの各々を独立に用いて焦点位置計測を行うため
には、各基準パターンに照明光を切り替えて照射するた
めの絞り（シャッター）をパターン板８の下面近傍に配
置するか、４組の基準パターンの各々に対応して４組の
照明手段（１０〜１３）及び光電検出器（１４）を設け
ておく必要がある。また、上記装置（図１）では照明光
源１０を露光用光源ＬＳとは別に設けていたが、露光用
光源ＬＳから射出される照明光ＩＬの一部を、ビームス
プリッター等で分岐して光ファイバー、ミラー等により
パターン板８の下まで導くように構成しても良い。ま
た、光ファイバー１１の射出面は投影光学系６の瞳面と
ほぼ共役となっており、さらにその照明条件（コヒーレ
ンスファクターσ値等）は照明光学系１によるレチクル
Ｒの照明条件と同一にしておくことが望ましい。例えば
特開平４−２２５３５９号公報に開示されたような傾斜
照明法（変形光源法）を採用する場合には、基準パター
ンに対しても傾斜照明を行うようにする。具体的には、
光ファイバー１１の射出面近傍に、その光軸に対して偏
心した複数（２つ、または４つ）の位置の各々に開口を
有する絞りを配置すれば良い。

【００２２】ところで、本実施例ではレチクルパターン
の材質等（例えば図１０）に依らず、常に光電検出器１
４に入射する照明光の強度（光量）が一定になる、すな
わち光電検出器１４からの検出信号Ｓ１のコントラスト
が最適な値となるように、パターン板８に照射する照明
光の強度（光量）を調整するための光強度可変部材を照
明光源１０の内部に設けている。そこで、図１１を参照
して照明光源１０の具体的な構成について説明する。

【００２３】図１１において、光源１０ａは露光光ＩＬ
と同一波長の照明光ＭＬを発生し、この照明光ＭＬは光
強度可変部材としての減光フィルター（ＮＤフィルタ
ー）１０ｂを通過して光ファイバー１１に入射する。こ
こで、ＮＤフィルター１０ｂは照明光ＭＬの強度（光
量）を段階的、もしくは連続的に変化させるものであ
り、本実施例では図１２に示すような連続的に光量を可
変とする輪帯状のＮＤフィルターを用いる。ＮＤフィル
ター１０ｂはモータ１０ｃによって回転可能であり、そ
の角度情報はロータリーエンコーダ１０ｄにより検出さ
れ、光量制御ユニット１０ｅに出力される。

【００２４】さて、信号処理ユニット１６は光電検出器
１４からの検出信号Ｓ１の強度（コントラスト）に関す
る情報を光量制御ユニット１０ｅに出力する。光量制御
ユニット１０ｅは上記情報に従い、光電検出器１４に入
射する照明光の光量が所定の値以上となる（すなわち検
出信号Ｓ１が十分なコントラストをもつ）ように、エン
コーダ１０ｄからの角度情報に基づいてモータ１０ｃを
駆動制御する。この結果、光ファイバー１１に入射する
照明光ＭＬは、ＮＤフィルター１０ｂによって所定の光
強度（光量）に調整される。従って、レチクルＲ上での
照明光ＭＬの照射位置がガラス面であったとしても、ク
ロム面と同様のコントラストの良い検出信号Ｓ１が得ら
れることになる。

【００２５】ここで、本実施例では光量調整手段（光強
度可変部材）としてＮＤフィルターを用いることとした
が、この可変部材はいかなるものであっても良く、例え
ば偏光板、あるいは偏光板と位相板とを組み合わせたも
のを用いても構わない。また、互いに異なる透過率（減
光率）の複数のＮＤフィルターをターレット板（または
スライダー）に設け、これらを照明光路中に交換可能に
配置するようにしても良い。さらに、例えば光源１０ａ
がエキシマレーザ光源である場合には上記部材を設けず
とも、光源に与える印加電圧（充電電圧）を微調整する
ことで、照明光の強度（光量）を変化させることが可能
である。尚、ＮＤフィルター１０ｂを照明光源１０の内
部に設けず、例えば光電検出器１４の受光面近傍に配置
するようにしても良い。

【００２６】さて、図１中にはウエハ９やパターン板８
のＺ方向の位置（移動量）を検出するための斜入射光方
式の焦点位置検出系１７、１８が設けられている。焦点
位置検出系１７、１８は投影光学系６の光軸に関して対
称に、かつその検出位置（光ビームの照射位置）が投影
光学系６のイメージフィールドの中心、すなわち光軸位
置と一致するように配置されている。焦点位置検出系１
７、１８の詳細な構成等については、例えば特開昭６０
−１６８１１２号公報に開示されているので、ここでは
説明を省略する。尚、図１では投影光学系６の光軸に対
して斜めに検出光を射出する光源（ハロゲンランプ等）
１７と、ウエハ９、またはパターン板８の表面で反射し
た光を受光する光電検出器、例えば位置検出型受光素子
（ＰＳＤ等）よりなる光電センサ１８とを示している。

【００２７】光電センサ１８から出力される信号はアナ
ログ信号処理回路１９に供給される。アナログ信号処理
回路１９は、光電センサ１８の受光面の光束の重心位置
のうちで投影光学系６の光軸方向の位置を示す信号（以
下、焦点位置検出信号と呼ぶ）Ｓ２を生成し、この焦点
位置検出信号Ｓ２を信号処理ユニット１６及びステージ
コントローラ２０に供給する。正確には、焦点位置検出
信号Ｓ２はパターン板８、またはウエハ９の投影光学系
６の光軸方向の位置を示す信号である。従って、焦点位
置検出信号Ｓ２を使用して合焦点を検出するには、予め
直接ＴＴＬ方式でパターン板８の投影光学系６に対する
合焦状態を調べておき、真の合焦点（ベストフォーカス
位置）、または後述のようにその近傍の位置での焦点位
置検出信号Ｓ２のレベルが予め定められたレベル（以
下、擬似的な合焦レベルと呼ぶ）になるように、オフセ
ットの調整（焦点位置検出光学系１７，１８のキャリブ
レーション）を行い、以後は信号Ｓ２が擬似的な合焦レ
ベルになるようにＺステージのＺ方向の動きを制御すれ
ば良い。その擬似的な合焦レベルとしては、例えば０が
使用される。

【００２８】また、パターン板８が投影光学系６の合焦
点にあるときに焦点位置検出信号Ｓ２のレベルが０であ
るとすると、パターン板８が上方（または下方）に移動
すると、信号Ｓ２のレベルは例えば負（または正）方向
に変化する。しかしながら、その移動量が大きくなる
と、光電センサ１８の受光面での光量が低下して信号Ｓ
２のレベルは０に近づくので、信号Ｓ２はパターン板８
等のＺ方向の位置に関してＳカーブ状に変化する。その
Ｓカーブ状の信号の中央部ではＺ方向の座標と信号Ｓ２
との関係はほぼ直線的であるとみなすことができる。こ
れに関して、光電センサ１８は振動ミラー、スリット及
びフォトマルチプライア等より光電顕微鏡と同様に構成
することもできるが、そのフォトマルチプライアの光電
変換信号を振動ミラー用の信号によって同期検波するこ
とにより、より明確なＳカーブ状の信号を得ることがで
きる。

【００２９】このような場合、合焦点等でその焦点位置
検出信号Ｓ２のレベルに所定のオフセットを設定して焦
点位置検出光学系１７，１８のキャリブレーションを行
うには、光学的及び電気的な手法があるが、光学的に設
定するには、要はパターン板８等がＺ方向の所定の位置
に在る状態で光電センサ１８の受光面での光量の分布
を、以下に示すような方法で所定の位置に変化させてや
れば良い。

【００３０】焦点位置検出光学系１７，１８のキャリブ
レーション方法としては、例えば光源１７の位置を微調
整する方法、または斜入射光学系の調整により光源１７
から射出される照明光の入射角を微調整する方法があ
る。さらに、光電センサ１８の前面に平行平板ガラス
（プレーンパラレル）を配置してこの平行平板ガラスの
角度を変えると、光電センサ１８の受光面での光量の分
布が変化するので、これによってもキャリブレーション
を行うことができる。また、信号Ｓ２の値がその合焦レ
ベルになるように電気的にオフセットを加えるようにし
ても良い。

【００３１】また、オフセットを調整する方法の他の例
として、真の合焦点又はその近傍の所定の位置での焦点
位置検出信号Ｓ２の値を擬似的な合焦レベルとして記憶
し、以後はその信号Ｓ２がその擬似的な合焦レベルにな
るようにする方法もある。この方法でも実質的にオフセ
ット調整ができる。このように、焦点位置検出信号Ｓ２
は間接方式で合焦点を示す信号であるため、露光光吸収
等で投影光学系６の結像面（焦点）の位置が変化したよ
うな場合には、信号Ｓ２が擬似的な合焦レベルになる合
焦点と実際の合焦点との間にずれが生じている虞があ
る。そこで、本実施例では増幅器１５（光電検出器１
４）からの検出信号（キャリブレーション信号）Ｓ１を
用いて随時その焦点位置検出信号Ｓ２のオフセット設定
（焦点位置検出光学系１７，１８のキャリブレーショ
ン）を行う。

【００３２】図１において、信号処理ユニット１６は、
キャリブレーション信号Ｓ１と焦点位置検出信号Ｓ２と
をメモリに取り込み、後述のように真の合焦点、または
その近傍の所定の位置のＺ軸の座標値を求め、このＺ軸
の座標情報をステージコントローラ２０に供給する。焦
点位置検出信号Ｓ２のキャリブレーションを行うとき、
ステージコントローラ２０はＺ軸駆動系２１を介してパ
ターン板８のＺ軸の座標を信号処理ユニット１６から指
示された座標に設定した後、例えば光源１７の位置を調
整することにより焦点位置検出信号Ｓ２のオフセット調
整を行う。同様にステージコントローラ２０は、ＸＹθ
駆動系２２を介してウエハステージ７上のパターン板８
及びウエハ９の投影光学系６の光軸方向の位置調整を行
う。

【００３３】ところで、照明光学系１から射出した照明
光ＩＬの一部は半透過鏡２で反射された後、集光光学系
２３を介して照射量センサ（光電検出器）２４の受光面
に集束され、照射量センサ２４から出力される光電変換
信号をセンサコントロールユニット２５に供給する。ま
た、環境センサ２６は投影光学系６の近傍に配置され、
その周囲の大気圧、温度、湿度等を計測し、この計測結
果をセンサコントロールユニット２５に供給する。セン
サコントロールユニット２５は、照射量センサ２４から
出力される信号を積分して得た投影光学系６に対する照
射量の情報、及び投影光学系６の周囲の大気圧、温度、
湿度等の情報を主制御系２７に供給する。主制御系２７
は、信号処理ユニット１６及びステージコントローラ２
０に所定の動作を指示するためのコマンドを供給し、信
号処理ユニット１６及びステージコントローラ２０から
主制御系２７には信号Ｓ１及びＳ２のデータ等が供給さ
れる。

【００３４】また、図１にはレチクルＲ上のバーコード
パターンＢＣを読み込むバーコードリーダー２９が設け
られており、主制御系２７はバーコードパターンＢＣに
記入された情報に基づいて上記装置（図１）の各種条件
設定を行う。レチクルＲ上のバーコードパターンＢＣに
は各種条件を記入しておいても良いし、あるいは主制御
系２７はレチクル名とそれに対応する各種条件を記憶
（予め入力）しておき、バーコードパターンＢＣに記入
されたレチクル名と上記記憶内容とを照合して各種条件
を決定（設定）しても良い。尚、上記各種条件やレチク
ル名等をオペレータがキーボード５０により主制御系２
７に入力するようにしても良い。また、表示装置（ＣＲ
Ｔ等）は装置の動作状態等をオペレータに知らせるもの
であり、例えば光電検出器１４からの検出信号Ｓ１の波
形を、レチクルＲのパターン面における照明光ＭＬの照
射位置でのパターン情報（ガラス面、クロム面等）とと
もに表示するようにしても良い。

【００３５】次に、図３を参照して本実施例による投影
露光装置（図１）で焦点位置検出信号Ｓ２のキャリブレ
ーションを行う場合の全体の動作の一例を説明する。こ
こでは、前回のキャリブレーション動作によりウエハス
テージ（Ｚステージ）７のＺ軸座標Ｚ_Bが焦点（零点基
準）として設定されているものとする。図３のステップ
１００において、主制御系２７はレチクルＲをレチクル
ステージ５にローディングした際、バーコードリーダ２
９にて読み込んだ情報のうち、特にレチクルパターンの
材質（例えばクロム層、または位相シフターのみで構成
されているか、あるいは両者で構成されているか、さら
には反射防止膜が形成されているか否か等）、膜厚（照
明光ＭＬのもとでの透過率）、及び形状（ピッチ、周期
性等）や配列等に関する情報に基づいて、パターン板８
に照射すべき照明光ＭＬの強度（光量）を決定する。
尚、バーコードパターンＢＣに直接照明光ＭＬの強度に
関する情報を記入しておくようにしても良い。光量制御
ユニット１０ｅは主制御系２７で決定された強度値に従
ってＮＤフィルター１０ｂを回転し、パターン板８に入
射する照明光ＭＬの強度を所定値に設定する。

【００３６】次のステップ１０１において、主制御系２
７はステージコントローラ２０を介してウエハステージ
７中のＸＹθステージを動作させることにより、パター
ン板８（例えば基準パターン２８Ａ）を投影光学系６の
イメージフィールド内の所望の計測点（すなわち、本実
施例では焦点位置検出系１７、１８の検出位置（光ビー
ムの照射位置）である投影光学系６の光軸位置）に移動
させる。しかる後、ウエハステージ７中のＺステージの
Ｚ軸座標を現在の位置（合焦点）Ｚ_BからΔＺだけ下方
（投影光学系６から遠ざかる方向）に移動させる（ステ
ップ１０２）。ここで、投影光学系６の結像面のＺ軸方
向への変動の予想される最大の絶対値をＺ_MAXすると、
間隔（移動量）ΔＺはΔＺ＞Ｚ_MAXとなるように選ばれ
ている。

【００３７】さらに主制御系２７は、ステップ１０３に
おいてステージコントローラ２０及びＺ軸駆動系２１を
介してＺステージを位置（Ｚ_B−ΔＺ）から上方にほぼ
一定速度で移動（スキャン）させる。この走査が開始さ
れるとステップ１０４では、信号処理ユニット１６が所
定のサンプリングパルスに同期して、キャリブレーショ
ン信号Ｓ１及び焦点位置検出信号Ｓ２を並行して取り込
んでそれぞれメモリに書き込む。このとき、光量制御ユ
ニット１０ｅは信号処理ユニット１６から入力されるキ
ャリブレーション信号Ｓ１が十分なコントラストを持っ
ているか否か、換言すれば光電検出器１４に入射する照
明光の光量が所定の値以上となっているか否かを判断す
る（ステップ１０５）。

【００３８】ここで十分なコントラストを持っていると
判断されると、主制御系２７はそのままステップ１０８
に進む。逆に不十分であると判断すると、光量制御ユニ
ット１０ｅはこの判断結果を主制御系２７に出力する。
主制御系２７は上記結果を入力すると、直ちにステージ
コントローラ２０及びＺ軸駆動系２１を介してＺステー
ジの移動を停止する（ステップ１０６）。しかる後、光
量制御ユニット１０ｅは上記信号Ｓ１に基づいてモータ
１０ｃによりＮＤフィルター１０ｂを回転させ、パター
ン板８に入射する照明光ＭＬの強度を調整する（ステッ
プ１０７）。この結果、光電検出器１４に入射する照明
光の強度（光量）が所定値以上となり、検出信号Ｓ１が
十分なコントラストを持つようになる。上記調整が終了
した後、再びステップ１０２に戻り、Ｚステージの位置
をＺ_B−ΔＺに設定する。以下、上記と同様にステップ
１０３〜１０５を実行し、検出信号Ｓ１のコントラスト
が十分であったらステップ１０８に進む。

【００３９】尚、本実施例では予めステップ１００でＮ
Ｄフィルター１０ｂを回転させ、パターン板８への照明
光ＭＬの強度を調整しているので、上記の如きステップ
１０５〜１０７を設定しておかなくても良い。特に本実
施例では、予め投影光学系６のイメージフィールド内の
１点（光軸位置）での焦点位置を検出することがわかっ
ている、すなわちレチクルＲのパターン面内での基準パ
ターンを透過した光の照射位置がパターン領域ＰＡ内の
ほぼ中心点であることがわかっているので、ステップ１
００での強度調整だけで十分であると予想される。逆に
ステップ１００を設定しておかず、ステップ１０５〜１
０７のみを設定してＮＤフィルター１０ｂの調整を行う
ようにしても良い。

【００４０】さて、ステップ１０８においてステージコ
ントローラ２０はＺステージのＺ軸座標が（Ｚ_B＋Δ
Ｚ）に達したか否かを調べ、Ｚ軸座標が（Ｚ_B＋ΔＺ）
に達していない場合にはステップ１０３に移行してＺ軸
方向への走査を続け、Ｚ軸座標が（Ｚ_B＋ΔＺ）に達し
た時点でステップ１０９に進む。一方、ステップ１０８
でＺ軸座標が（Ｚ_B＋ΔＺ）に達した場合にはステップ
１０９に移行する。

【００４１】ステップ１０９において、信号処理ユニッ
ト１６はキャリブレーション信号Ｓ１から求めた真の合
焦点（ベストフォーカス位置）、またはその近傍の位置
のＺ軸座標と、焦点位置検出信号Ｓ２から求められる擬
似的な合焦点（Ｚ軸座標）との偏差量δＺを算出する。
この場合、ステップ１１０及び１１１で示すようにステ
ップ１０２〜１０９までの動作をｎ回（ｎは２以上の整
数）繰り返すことで偏差量の計測精度を上げることがで
きる。さらにステップ１１１で示すように、１個の偏差
量を算出する度にＸＹθステージを動作させ、パターン
板８の投影光学系６の光軸に垂直な面（ＸＹ平面）内で
の位置を微小量だけ変位させる。これにより、パターン
板８の基準パターンの像が投影されるレチクルＲのパタ
ーン領域ＰＡでの位置も微小量だけ変位するので、その
パターン領域ＰＡのパターンの影響が除去され、計測精
度の低下が防止される。このとき、パターン板８をＸＹ
平面内で微動させるたびに、ステップ１０５では検出信
号Ｓ１のコントラストが確認され、必要ならばＮＤフィ
ルター１０ｂを回転させる。尚、ステップ１１０で計測
がｎ回行われていないと判断されたら、直ちにステップ
１０２に戻るようなシーケンスとしても良い。また、ス
テップ１１０、１１１を行わず、ステップ１０９が終了
した後、直ちにステップ１１２に進むようなシーケンス
としても良い。

【００４２】しかる後、ステップ１１２において信号処
理ユニット１６は、真の合焦点、またはその近傍の位置
のＺ軸座標と、焦点位置検出信号Ｓ２から求められる擬
似的な合焦点のＺ軸座標との複数の偏差量δＺを平均化
して得られた偏差量〈δＺ〉をステージコントローラ２
０に供給する。これ以後、ステージコントローラ２０は
前回のキャリブレーションにより設定されたＺ軸座標の
値Ｚ_BにδＺ_avを加算して得た値（Ｚ_B＋δＺ_av）を合
焦点とみなして、この合焦点での焦点位置検出信号Ｓ２
が所定の擬似的な合焦レベルになるようにオフセットの
調整を行う。

【００４３】ここで、本実施例（図３）ではステップ１
００でバーコードパターンＢＣから入力した情報（パタ
ーンの材質等）からパターン板８に入射する照明光ＭＬ
の強度を決定し、この決定した値に基づいてＮＤフィル
ター１０ｂを回転させるようにしていた。しかしなが
ら、図１３に示すようにレチクルＲのパターン領域ＰＡ
の外側で、かつパターン面の一部（但し、投影光学系６
のイメージフィールドＩＦ内にある）に、レチクルパタ
ーンと同一工程でテストパターンＥＸを形成しておく。
そして、当該パターンＥＸに基準パターンを透過した照
明光ＭＬを照射し、ここでの反射光を光電検出器１４に
て受光したときに出力される検出信号Ｓ１を用いて、照
明光ＭＬの強度を調整する、すなわちＮＤフィルター１
０ｂを回転させるようにしても良い。この場合、テスト
パターンＥＸはレチクルパターンと全く同一工程（条
件）で形成されるため、上記の如き強度調整を精度良く
実行することが可能となる。従って、上記動作を計測動
作（ステップ１０１〜１０９）に先立って行うようにす
れば、ステップ１０５〜１０７を省略したシーケンスを
採用することが容易になるといった利点がある。

【００４４】次に、図３のステップ１０４の詳細な動作
について説明する前に、信号処理ユニット１６の具体的
な回路構成の一例を図４を参照して説明する。図４は信
号処理ユニット１６の一例を示し、入力端子２９、３０
にはキャリブレーション信号Ｓ１、焦点位置検出信号Ｓ
２が供給される。３１はマイクロプロセッサ（以下「Ｍ
ＰＵ」と略称する）、３２はタイマー回路、３３はカウ
ンタ回路を示し、信号Ｓ２のキャリブレーションが始ま
り、Ｚステージの走査が開始されると、ＭＰＵ３１はカ
ウンタ回路３３の計数値をリセットすると同時に、タイ
マー回路３２の出力ゲートを開く。タイマー回路３２は
一定時間間隔毎にハイレベル“１”のパルスとなるサン
プリングパルスＳＰ１を発生し、このサンプリングパル
スＳＰ１をカウンタ回路３３の計数パルス入力端子、及
びアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器３４、３６のサ
ンプリングパルス入力端子に供給する。

【００４５】また、メモリ（ＲＡＭ等）３５、３７のア
ドレス入力部にはそれぞれカウンタ回路３３の計数値が
供給される。そして、カウンタ回路３３の計数値が増加
するのに応じて、キャリブレーション信号Ｓ１をＡ／Ｄ
変換器３４を介してその計数値で定まるメモリ３５のア
ドレス領域に順次書き込み、焦点位置検出信号Ｓ２をＡ
／Ｄ変換器３６を介してその計数値で定まるメモリ３７
のアドレス領域に順次書き込む。Ｚステージの走査が完
了した時点でＭＰＵ３１はタイマー回路３２の出力ゲー
トを閉じると共に、メモリ３５及び３７へのデータの書
き込みを禁止する。

【００４６】その結果、メモリ３５の一連のアドレス領
域には図５（ａ）の実線の曲線３８で示すキャリブレー
ション信号Ｓ１が記憶され、メモリ３７の一連のアドレ
ス領域には図５（ｂ）で示すように０を中心としてＳ字
状に変化する焦点位置検出信号Ｓ２が記憶される。図５
（ａ）及び（ｂ）の横軸はアドレスであるが、本例のサ
ンプリングパルスＳＰ１は一定時間間隔毎にハイレベル
“１”となるパルス列であるため、そのアドレスは時間
ｔとみなすことができる。さらに、Ｚステージはほぼ等
速度で上昇しているため、時間ｔ（またはアドレスの
値）に１次変換を施すことによりＺステージのＺ軸座標
の近似値を求めることができる。

【００４７】図５の例では、（ａ）中でキャリブレーシ
ョン信号Ｓ１が最大になるときのアドレスが真の合焦点
Ｚ_Cに対応するアドレスであり、（ｂ）中で焦点位置検
出信号Ｓ２、特にＳカーブの中で０になるときのアドレ
スが前回のキャリブレーションで設定した合焦点Ｚ_Bに
対応するアドレスである。尚、パターン板８に形成され
る基準パターンが位相型回折格子であるときには、信号
Ｓ１は図５（ａ）に一点鎖線の曲線３９で示すように真
の合焦点Ｚ_Cでレベル（電圧値）が最小になる。従っ
て、何れの場合でも上記信号Ｓ１の凸または凹のピーク
位置のアドレスから信号Ｓ２のゼロクロス点のアドレス
を差し引いて得られる偏差アドレス量に所定の１次演算
を施すことによりＺ軸座標上の偏差量δＺが求められ
る。この偏差量δＺが今回のキャリブレーション量とし
て図１のステージコントローラ２０に供給される。ステ
ージコントローラ２０は、Ｚ軸座標が（Ｚ_B＋δＺ）の
位置での焦点位置検出信号Ｓ２の値が０になるようにオ
セットの調整を行う。

【００４８】以上はＺステージをほぼ等速で走査した場
合の例であるが、等速走査でない場合には、図５（ａ）
の信号Ｓ１のピーク位置に対応する焦点位置検出信号Ｓ
２の信号強度Ｓを求める。そして、予め前回の合焦点Ｚ
_Bの近傍でのＺ軸座標と焦位置検出信号Ｓ２の信号強度
との関係を求めておけば、信号Ｓ２の信号強度Ｓより逆
に対応するＺステージのＺ座標を算出することができ、
前回の合焦点Ｚ_B対する偏差量δＺを算出することがで
きる。

【００４９】また、図５はＺステージをほぼ等速で走査
して時間軸基準で信号Ｓ１及びＳ２を図４のメモリ３５
及び３７に取り込んだ結果を示しているが、このように
時間軸基準とすると次のような利点がある。すなわち、
例えばキャリブレーション信号Ｓ１を例にとると、図６
（ａ）に示すように、電気的なノイズ、またはＺ軸方向
の駆動機構の不安定性等により、信号Ｓ１には実際には
一種の高周波ノイズが重畳されている。このような高周
波ノイズをデジタル的に除去するためには、その信号Ｓ
１のサンプリングパルスＳＰ１（図６（ｂ))の周波数を
高くして得られた信号Ｓ１を、例えば所定の間隔ΔＴ毎
に平均化することが考えられる。時間軸基準であれば、
図４中のタイマー回路３２の特性を変えるだけで、サン
プリングパルスＳＰ１の周波数は極めて容易に上げるこ
とができ、この平均化により図６（ｃ）に示すような滑
らかな信号Ｓ１を得ることができる。

【００５０】これに対して、Ｚ軸方向の変位を検出する
測長器の測定結果に同期して信号Ｓ１及びＳ２を取り込
む位置基準方式では、サンプリングパルスの周波数を高
めるのは比較的困難であると共に、設定できる周波数の
上限が低い傾向がある。但し、図３のステップ１０４に
おいて位置基準方式で信号Ｓ１及びＳ２を取り込む場合
も考えられるため、以下ではそのような場合を説明す
る。このように位置基準で信号Ｓ１及びＳ２を取り込む
場合の信号処理ユニット１６を信号処理ユニット１６Ａ
と呼び、この信号処理ユニット１６Ａの構成例を図７に
示し、図７において図１及び図４に対応する部分には同
一符号を付してその詳細説明を省略する。

【００５１】図７において、Ｚ軸駆動系２１にはＺステ
ージのＺ軸方向への変位を検出する測長センサが組み込
まれている。この測長センサからはＺステージのＺ軸方
向への変位が所定間隔に達する毎に、例えば９０°の位
相差でハイレベル“１”となるアップダウンの２相の位
置パルスが出力され、これらの２相の位置パルスはステ
ージコントローラ２０に供給される。ステージコントロ
ーラ２０は、２相の位置パルスを積算的に計数してＺス
テージのＺ軸座標を得ると共に、このＺ軸座標上でのサ
ンプリング間隔をｄｚとすると、Ｚ軸座標がｄｚだけ増
加する毎にハイレベル“１”のパルスとなるサンプリン
グパルスＳＰ２を生成する。サンプリング間隔ｄｚとし
ては、例えばＺ軸座標上の移動の最小単位（例えば０．
０２μｍ）が使用される。

【００５２】そのサンプリングパルスＳＰ２を信号処理
ユニット１６Ａ中のカウンタ回路３３の計数パルス入力
端子、並びにＡ／Ｄ変換器３４、３６のサンプリングパ
ルス入力端子に供給する。他の構成は図４と同様であ
り、キャリブレーション信号Ｓ１及び焦点位置検出信号
Ｓ２はサンプリングパルスＳＰ２に同期してそれぞれメ
モリ３５及び３７に書き込まれる。このようにして図７
の回路によれば、ＺステージのＺ軸上での位置を基準と
した信号Ｓ１及びＳ２の取り込みが容易に行われる。Ｚ
軸方向の測長センサとしてもレーザ干渉測長器のような
高分解能、且つ高精度の測長センサが使用されていると
きは、このような位置基準のデータの取り込みも有効で
ある。

【００５３】図１に戻り、照射量センサ２４及び環境セ
ンサ２６の使用方法の一例につき説明する。本例では投
影光学系６の結像特性が変化しないとすれば、焦点位置
検出信号Ｓ２のオフセット調整は装置のセットアップ時
等に１度行うのみで良い。しかしながら、実際には照明
光ＩＬの照射量、大気圧、周囲の温度、または湿度等に
より投影光学系６によるレチクルＲのパターンの結像面
（ベストフォーカス位置）は変化する。そこで、本例の
主制御系２７はセンサコントロールユニット２５を介し
て常時照射量センサ２４及び環境センサ２６の出力信号
をモニターし、投影光学系６の環境状態を検出する。こ
の場合、環境状態の変化が所定の閾値以内であれば、予
測制御によって焦点位置検出信号Ｓ２のオフセット値を
ある程度変化させることにより、結像面の変動に追従す
ることも可能である。

【００５４】しかしながら、大気圧、湿度、温度、また
は照射量（露光光吸収によって投影光学系６に蓄積され
るエネルギー量）の内の何れか、または複数の量が対応
する閾値を超えたときには、予測制御は不確定になる虞
があるので、パターン板８を投影光学系６のイメージフ
ィールド内に移動して信号Ｓ１を用いて信号Ｓ２のオフ
セット調整を行う。これにより長期的に安定した合焦が
できるようになる利点がある。また、オフセット調整に
よるキャリブレーションを行う時期を的確に指示できる
ので、無駄なキャリブレーションを省いてスループット
を改善することができる。さらに、１枚のウエハに対す
る露光動作中であっても、レチクルを交換することなく
焦点位置検出光学系１７、１８のキャリブレーションを
行うことができるので、常に高精度の焦点合わせを行う
ことができるとともに、キャリブレーションによるスル
ープットの低下も最小限に抑えることができる。

【００５５】次に、図１の信号処理ユニット１６はレチ
クルＲの露光条件に応じて２通りのキャリブレーション
方法を使い分けているので、その２通りのキャリブレー
ションの方法について説明する。図８は図１の信号処理
ユニット１６のキャリブレーション動作の一例を示して
いる。図８のステップ１１３において主制御系２７は、
例えばレチクルＲのバーコードパターンＢＣに記入され
た情報からウエハ９上に露光すべきパターンの最小線幅
（必要線幅）を算出する。しかる後、ステップ１１３に
おいて主制御系２７は、その必要線幅が投影光学系６の
限界解像力の近傍か否かを判別する。ここで、必要線幅
が限界解像力の近傍であるときには、その必要線幅のパ
ターンを解像することを優先するため動作はステップ１
１２に移行し、主制御系２７は信号処理ユニット１６に
ピーク検出法でキャリブレーションを行うように指示す
る。一方、その必要線幅が投影光学系６の解像力に比べ
て太く余裕があるときには、動作はステップ１１３に移
行する。

【００５６】次に、ステップ１１５のピーク検出法につ
き図９（ａ）を参照して説明する。ここで、キャリブレ
ーション信号Ｓ１に対応するメモリアドレスはＺ軸座標
に換算されているものとする。さて、ピーク検出法では
キャリブレーション信号Ｓ１が最大値（位相格子の場合
は最小値）になるＺ軸座標Ｚ_Cを合焦の目標点（ベトフ
ォーカス点）として、このベストフォーカス点と図５
（ｂ）の焦点位置検出信号Ｓ２のゼロクロス点Ｚ_Bとの
偏差量を求める。従って、投影光学系６は最解像力の高
い結像面を中心として使用されることになる。

【００５７】一方、ステップ１１６においては主制御系
２７が必要線幅に対応する投影光学系６の焦点深度の幅
（フォーカスマージン）ΔＦを求め、このフォーカスマ
ージンΔＦの情報を信号処理ユニット１６に供給する。
続いて主制御系２７はステップ１１７で信号処理ユニッ
ト１６にスライス中点法でキャリブレーションを行うよ
うに指示する。ここで、スライス中点法について図９
（ｂ）を参照して説明する。まず、信号処理ユニット１
６は得られたキャリブレーション信号Ｓ１をＺ軸座標上
にプロットし、所定のスライスレベルの直線とその信号
Ｓ１との２個の交点を求め、これら２個の交点のＺ軸上
の間隔を求める。そして、その２個の交点の間隔がフォ
ーカスマージンΔＦに合致するときのスライスレベルＳ
Ｌを求め、スライスレベルＳＬの直線と信号Ｓ１との２
個の交点の中点のＺ軸座標Ｚ₁を合焦の目標点（ベスト
フォーカス点）とする。この結果、ベストフォーカス点
と図５（ｂ）の焦点位置検出信号Ｓ２のゼロクロス点Ｚ
_Bとの偏量が求められる。

【００５８】ところで、キャリブレーション信号Ｓ１が
ピーク点を中心としてＺ軸上で線対称であるとすると、
ピーク検出法で求めたベストフォーカス点Ｚ_Cと、スラ
イス中点法で求めたベストフォーカス点Ｚ₁とは一致す
る。しかしながら、キャリブレーシン信号Ｓ１はピーク
点を中心として非対称であるため、ベストフォーカス点
Ｚ_Cとベストフォーカス点Ｚ₁との間には偏差ΔＺ_Cが
存在する。従って、ピーク検出法とはフォーカスマージ
ンを多少犠牲にしても投影光学系６の解像力を最大限に
活かすキャリブレーション法であり、スライス検出法と
は投影光学系６の解像力を多少犠牲にしてもフォーカス
マージンをできるだけ広くするキャリブレーション法で
あるということができる。本例ではこれら２通りのキャ
リブレーションを使い分けているので、種々の露光条件
のレチクルＲに対応することができる。

【００５９】尚、本実施例のパターン板８上に形成され
ている回折格子は、図２に示すように種々の方向の格子
が混在しているので、レチクルＲのパターンに方向性
（周期性）があるような場合でも良好なキャリブレーシ
ョン信号Ｓ１を得ることができると共に、非点収差も検
出することができる。また、パターン板８上に位相型回
折格子を形成する場合には、例えば隣り合うラインの位
相差がそれぞれ１／４波長になるようにする。このよう
にしてパターン板８を下方から照明すると、発生する±
１次の回折光は０次光に比べて位相が１／４波長だけず
れている。これらの光線がレチクルＲのパターン領域Ｐ
Ａで反射されて再びパターン板８に戻って来ると、±１
次光の更なる±１次光が０次光と同じ光路を通って戻
る。その更なる±１次光は位相が更に１／４波長だけず
れるので、全体として０次光に対して位相が１／２波長
ずれている。従って、パターン板８の表面（パターン形
成面）が投影光学系６の最良結像面に一致しているとき
には、０次光と±１次光とが打ち消し合って受光強度は
最小になる。一方、パターン板８の表面が投影光学系６
の最良結像面から外れているときには、０次光と±１次
光との位相差が１／２波長にならないため受光強度は大
きくなる。

【００６０】また、図２のパターン板８上の振幅型の回
折格子２８Ａ〜２８Ｄを、例えばマトリックス状に配置
されたＥＣＤ（エレクトロクロミックデバイス）、ある
いは液晶素子等により構成しても良い。そのマトリック
スを構成する各微小素子の印加電圧を制御することによ
り、種々の格子パターンを形成することができる。例え
ばウエハに転写されるパターンの微細度（ピッチ、周期
性）や形状と同一条件となるようにＥＣＤ等によって格
子パターンを形成しても良い。

【００６１】以上の実施例では焦点位置検出光学系１
７、１８のキャリブレーションについて説明したが、パ
ターン板８及び合焦状態検出手段（１０〜１５）を用い
て、投影光学系６のイメージフィールド内の複数点の各
々での合焦点（ベストフォーカス位置）を求め、これら
の計測値から投影光学系６の最良結像面を算出する。し
かる後、ウエハ表面の傾きを検出するためのコリメータ
型のレベリング用光学系（例えば特開昭５８−１１３７
０６号公報に開示）において上記算出された最良結像面
が零点基準となるように、当該光学系からの検出信号に
対して光学的または電気的にオフセットを与えることに
よってキャリブレーションを行うようにしても良い。こ
れによって、常に投影光学系６の最良結像面とウエハ
（ショット領域）表面とを正確に一致させることが可能
となる。

【００６２】尚、キャリブレーション方法としては、光
電センサとして用いられる４分割受光素子の中心にウエ
ハからの反射光束が集光するように上記光学系の光路中
に設けられたプレーンパラレルを傾ける光学的な方式等
がある。また、ウエハ表面でのレベリング用光学系によ
る傾き検出領域は、当該光学系中に配置された可変視野
絞り等によって、ウエハ上の１つのショット領域の大き
さ、形状と等しくなるように定められている。

【００６３】また、レベリング用光学系としてはコリメ
ータ型に限定されるものではなく、例えば投影光学系６
のイメージフィールド内の予め定められた複数点の各々
において、ウエハ９の投影光学系６の光軸方向（Ｚ軸方
向）の位置を検出可能な光学系（以下、表面位置検出光
学系と呼ぶ）を用いても良く、当該光学系を採用する場
合には上記実施例における焦点位置検出光学系とレベリ
ング用光学系の両方の機能を持たせることができるとい
った利点がある。表面位置検出光学系としては、焦点位
置検出光学系１７、１８を複数個配置する方法、あるい
はウエハ表面（投影光学系６のイメージフィールドの範
囲内）に長大スリットを１本ないし複数本形成し、１次
元または２次元のラインセンサ等によってこのスリット
像を複数に分割して受光する方式（検出原理は焦点位置
検出光学系１７、１８と同じ）等がある。

【００６４】表面位置検出光学系を採用する場合は、投
影光学系６のイメージフィールド内における当該光学系
の複数の測定点と合焦状態検出手段（１０〜１５）によ
る合焦点の複数の検出点とを一致させておくことが望ま
しい。また、表面位置検出光学系の複数の測定点の各々
で、合焦状態検出手段（１０〜１５）を用いてベストフ
ォーカス位置を検出する際には、上記実施例と同様に検
出信号Ｓ１が十分なコントラストを持つように、測定点
（パターン領域ＰＡ内での照明光ＭＬの照射位置）毎に
ＮＤフィルター１０ｅを回転させて照明光ＭＬの強度調
整を行うようにすることが望ましい。

【００６５】尚、投影光学系６のイメージフィールド相
当領域内に、例えば表面位置検出手段における複数の検
出点に対応してパターン板８上に複数の基準パターンを
形成しておけば、複数点での合焦点（ベストフォーカス
位置）を検出するにあたってＸＹθステージを移動させ
る必要がなく計測時間が短縮できる。このとき、複数の
基準パターンの各々に対応して、合焦状態検出手段（１
０〜１５）のうち少なくとも光電センサ１４を複数個設
けておく必要がある。

【００６６】また、上記実施例ではパターン板８を用い
て投影光学系６のイメージフィールド内の任意の点での
焦点位置を検出する場合について述べたが、上記の如き
合焦状態検出手段（１０〜１５）をそのまま使用してレ
チクルアライメント、ベースライン計測、あるいは投影
光学系６の結像特性（特に投影倍率やディストーショ
ン）の計測等を行うことができる。すなわち、投影光学
系６の光軸と垂直な面内でウエハステージ７を微動し
て、パターン板８上の基準パターンの投影像とレチクル
Ｒ上の任意の位置に形成された基準マーク（アライメン
トマーク等）とを相対移動し、このとき基準マークから
発生する光を投影光学系６、及びパターン板８を介して
光電検出器１４で受光する。そして、光電検出器１４か
ら出力される検出信号Ｓ１とウエハステージ７の位置を
モニターする干渉計からの位置信号とを用いて、所定の
演算処理により基準マークの位置（干渉計によって規定
される直交座標系ＸＹ内での座標値）を算出する。上記
計測をレチクルＲ上の複数の基準マークの各々に対して
行えば、例えばレチクルアライメント、投影光学系６の
倍率やディストーションの計測を行うことができる。さ
らに、パターン板８上の基準パターン（あるいはパター
ン板８上に基準パターンに一定の位置関係で形成された
計測用の特定パターン）を用いて、ＴＴＬ（スルーザレ
ンズ）方式、またはオフアクシス方式のアライメントセ
ンサーのマーク検出位置を求めることで、当該センサー
のベースラインを算出することが可能となる。上記計測
を行う際にも、上記実施例と全く同様に光電検出器１４
に入射する照明光の強度（光量）、すなわち光電検出器
１４からの検出信号Ｓ１のレベル（コントラスト）に応
じてＮＤフィルター１０ｅを回転させるようにすること
が望ましい。尚、パターン板８を用いてレチクルＲ上の
基準マークの位置を計測する際には、パターン板８の表
面（パターン形成面）とレチクルＲの下面（パターン
面）とを共役な関係（結像関係）にしておくことが望ま
しい。

【００６７】

【発明の効果】本発明によれば、マスクの交換を行うこ
となく、かつ計測専用のマークをマスクに形成せずと
も、高速、高精度に随時投影光学系のイメージフィール
ド内の任意の位置での焦点位置（ベストフォーカス位
置）を検出できる。従って、常に投影光学系の最良結像
面と感光基板（ショット領域）の表面とを正確に一致さ
せてマスクのパターンの像を感光基板に転写でき、しか
もスループットを低下させることもない。また、マスク
のパターンの材質等に応じて、パターン板の下面に配置
した光電検出器に入射する照明光の強度を調整できるの
で、マスクパターンに依らず常に投影光学系の焦点位置
を精度良く計測することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による投影露光装置の全体構成
を概略的に示す図。

【図２】図１中のパターン板の具体的な構成を示す図。

【図３】図１に示した装置で焦点位置検出信号Ｓ２のキ
ャリブレーションを行う場合の全体の動作を示すフロー
チャート図。

【図４】図１中の信号処理ユニットの具体的な構成を示
すブロック図。

【図５】時間基準で取り込まれたキャリブレーション信
号Ｓ１及び焦点位置検出信号Ｓ２を示す波形を示す図。

【図６】時間基準でキャリブレーション信号Ｓ１を取り
込む場合の説明に供する波形図。

【図７】図１中の信号処理ユニットの他の構成例を示す
ブロック図。

【図８】ピーク検出法とスライス中点法とを使い分ける
場合の動作を示すフローチャート図。

【図９】（ａ）は中点法で求めた合焦点の説明に供する
波形図、（ｂ）はスライス中点法で求めた合焦点の説明
に供する波形図。

【図１０】レチクルパターンの材質の違いによるキャリ
ブレーション信号Ｓ１のコントラストの差を説明する
図。

【図１１】図１中の照明光源の具体的な構成の一例を示
す図。

【図１２】図１１中のＮＤフィルターの具体的な構成の
一例を示す図。

【図１３】図１に示した装置に好適なレチクルの構成の
一例を示す図。

【符号の説明】

Ｓ１キャリブレーション信号Ｓ２焦点位置検出信号Ｒレチクル６投影光学系７ウエハステージ８パターン板９ウエハ１０ａ〜１０ｅ照明光源１１ライトガイド１４光電検出器１６信号処理ユニット２０ステージコントローラ２７主制御系２８Ａ〜２８Ｄ基準パターン（回折格子）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０３Ｂ 27/34 9017−2ＫＧ０３Ｆ 7/207 Ｈ 9122−2Ｈ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの照明光をマスクに照射する照
明光学系と、前記マスクに形成されたパターンを感光基
板に結像投影する投影光学系と、前記感光基板を保持し
て前記投影光学系の光軸方向に移動可能な基板ステージ
とを備えた投影露光装置において、前記基板ステージの一部に設けられ、所定形状の基準パ
ターンを有するパターン板と；該パターン板の下面より
前記照明光とほぼ同一波長の照明光を前記基準パターン
に照射する照明手段と；前記基準パターンを透過して前
記投影光学系を介して前記マスクのパターン面に照射さ
れ、該パターン面から反射されて前記投影光学系及び前
記基準パターンを介して戻された光を受光する光電検出
手段と；前記パターン板と前記投影光学系の結像面とを
前記投影光学系の光軸方向に相対移動させたとき、前記
光電検出手段から出力される検出信号に基づいて前記投
影光学系の結像特性を検出する結像特性検出手段と；前
記光電検出手段からの検出信号の強度が所定の値となる
ように、前記光電検出手段に入射する照明光の光量を調
整する光量調整手段とを備えたことを特徴とする投影露
光装置。
【請求項２】前記光量調整手段は、前記照明手段から
射出される照明光の強度を調整する光強度可変部材を有
することを特徴とする請求項１に記載の投影露光装置。
【請求項３】前記光量調整手段は、前記マスクのパタ
ーン面での照明光の反射特性に応じて前記照明光の光量
を調整することを特徴とする請求項１に記載の投影露光
装置。
【請求項４】前記光量調整手段は、前記マスクの交換
毎、または前記パターン面内での前記照明光の照射位置
の変更毎に前記光量調整を行うことを特徴とする請求項
１に記載の投影露光装置。